第一章-机床总体设计

2023年2月4日机械制造装备设计第1章专机总体设计第一章专机总体设计第一节专机的基本要求第二节专机的设计步骤第三节机床的总体布局第四节主要技术参数的确定第一节专机的基本要求

机床的基本要求

①具有良好的技术性能，满足使用要求；②造型美观，色彩协调，有良好的人机关系；③经济适用，质量好，成本低。

一、机床的主要技术性能工艺范围柔性加工精度可靠性生产率自动化

主要包括

多品种小批生产——要求机床运动和刀具数目多，加工精度高，加工效率高，工艺范围广。如：数控机床，加工中心，柔性制造系统。

第一节专机的基本要求

工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力（或功能）。包括可加工的零件类型、表面形状和尺寸，加工方法等。

不同的生产模式对机床的工艺范围要求不同。

大批量生产——要求加工效率高，工艺范围窄，机床结构简单。如：组合机床。

单件小批生产——要求扩大机床功能，工艺范围广，机床结构复杂。如：通用车床，通用钻床等。1.工艺范围

第一节专机的基本要求

大批量生产采用的机床是——组合机床立、卧三面组合钻床

第一节专床的基本要求

单件小批生产采用：普通的车、铣、钻、镗、磨等机床车床铣床钻床磨床镗床

多品种小批生产采用：数控机床，加工中心，柔性制造系统。

第一节专机的基本要求数控机床加工中心柔性制造系统第一节专机的基本要求

结构柔性指对机床的某些部件只做少量修改或重组，就可迅速构成适应产品更新要求的新型加工机床。2.柔性

柔性是指机床适应加工对象变化的能力。机床的柔性包括功能柔性和结构柔性。

功能柔性指对机床的加工控制软件进行调整或修改，就可方便的改变机床的加工功能，适应变型零件的加工要求。第一节专机的基本要求

零件的加工精度指被加工零件的形状位置精度、尺寸准确度、表面粗糙度。3.加工精度1）几何精度

指机床不运动或空载低速运动时的精度。

几何精度反映机床主要零部件的几何形状精度、相对位置、相对运动轨迹精度，是评价机床质量的基本指标。几何精度取决于零部件的结构设计和制造装配精度。机床的精度包括：

2）传动精度指内联系传动链两末端执行件相对运动的精度。传动精度取决于传动件的制造精度和传动系统的设计合理性。第一节专机的基本要求

4）定位精度

指机床工作零部件运动终了时所达到的位置的准确性和机床的调整精度。

5）精度保持性

指机床加工精度应保持的时间，也称使用寿命。不同类型、不同精度的机床，其精度保持性是不同的。

3）运动精度

指机床在额定负载下运动时主要零部件的几何位置精度。运动精度是评价机床的重要指标，它取决于运动部件的制造精度、机床零部件的动态刚度和热变形程度。第一节专机的基本要求

生产率

指机床在单位时间内能加工的工件数量。机床的切削效率越高，辅助时间越短，其生产率就越高。机床的生产率是衡量生产技术的先进性、生产组织的合理性和工人工作积极性的重要指标。

4.生产率和自动化

自动化指机床在无人工干预的情况下，按规定动作要求通过机械、电子或计算机的控制，自动完成加工的性能。机床自动化程度越高，加工精度的稳定性就越好，还能有效减少工人的劳动强度。

自动化的大批生产

采用组合机床、数控机床组成自动生产线。自动化的单件小批生产采用由数控机床、加工中心构成的柔性制造系统，或由柔性制造系统构成自动化工厂。第一节专机的基本要求5.可靠性

可靠性的衡量指标：平均无故障工作时间及有效度。

可靠性是机床重要的技术经济指标，它包括两个方面：

◆机床在规定时间内发生失效的难易程度；◆可修复机床失效后在规定时间内修复的难易程度。

1）

固有可靠性——通过设计、制造赋予机床的可靠性能。

2）使用可靠性——受使用、维护方式和使用条件的影响。

可靠性

指机床在使用寿命期内完成规定加工功能的能力。

1.信号指示系统

显示方式、显示器的位置等应该易于操作者无误的接受。

2.操纵件

符合人的动作习惯，操纵灵活方便、迅速、省力，不易产生误操作或故障。

3.造型、色彩和噪声

机型应美观大方，色彩协调，噪声低。第一节专机的基本要求

机床的整体及操纵应符合人的生理和心理特征，实现人机环境协调统一，提供舒适、可靠、高效的工作条件。

二、人机关系第一节机床的基本要求

经济实用是指机床在满足应有的加工功能、可靠性和人机关系的前提下，还要求有良好的经济性，即成本低。

三、经济实用

机床的成本低贯穿在机床产品的整个生命周期内，包括设计、制造、包装、运输、实用、维护、再利用和报废处理等费用，是衡量产品市场竞争力的重要指标。

设计机床时，应尽可能在保证机床性能要求的前提下，提高其性能价格比。

数控分度车床第二节专机的设计步骤

机床设计步骤包括：总体设计，技术设计，零件设计，样机试制，试验鉴定。第二节专机的设计步骤

1.调研、检索和收集各种信息、掌握机床设计依据。

2.工艺分析——

对资料进行工艺分析，拟出几个加工方案，进行经济效果预测对比，找出性能优良、经济适用的工艺方案。

3.总体布局——

根据确定的工艺方案，分配机床运动，选择传动和支承形式，安排操作位置，拟订提高动刚度的措施，造型与色彩设计。画出各种传动原理图、部件结构草图、操纵控制系统原理图、机床联系尺寸图。

4.确定主要技术参数——尺寸参数、运动参数、动力参数。

一、总体设计（总体方案拟定）

◆

绘制机床零件图，完善部件装配图和总图。

◆

编写机床零件名细表和机床设计说明书，制定机床的验收方法和标准、使用说明书等。第二节专机的设计步骤

根据确定的技术参数设计机床的运动系统，采用优化设计法，画出主传动系统图、部件装配图、液压传动和电气操作控制系统图，完善机床联系尺寸图等。

二、技术设计

三、零件设计及资料编写1.样机试制设计人员跟踪机床试制全过程，特别注重关键零件，及时指导修正其加工和装配工艺。3.批量生产根据工业性试验总结，鉴定意见改进完善设计，投入批量生产。2.试验鉴定先进行空车试运转，再在额定载荷下进行工作试验。工作一段时间后，检测其精度，写出试验总结。第二节机床的设计步骤

四、样机试制和鉴定第三节专机的总体布局

①

如何实现所需运动；②

何种部件产生运动；

③

工件如何安装加工；④各种运动如何控制；

⑤如何设置合理操作位置。

一、机床的总体布局

机床的总体布局是根据已确定的零件加工方法和应具有的运动来确定如下设计：第三节专机的总体布局3.运动分配应有利于提高运动部件的刚度

运动应分配给刚度高的部件。如：外圆磨床、平面磨床工作台和砂轮架的运动。4.运动分配应考虑工件形状

不同形状的工件，所需的运动部件不一样。如：圆柱件内孔在车床上加工，工件旋转；箱体件内孔在镗床或钻床上加工，刀具旋转，工件移动。2.运动分配应有利于提高工件的加工精度

运动部件不同，加工精度不同。如：深孔钻床上钻头的运动。1.运动分配给质量小的零部件

运动件质量小，惯性力小，需要的驱动力小，传动机构体积小，制造成本低。如：铣床上铣刀的运动。

一、分配机床的运动

③电气传动可简化机械结构，便于实现自动变速、连续变速和负载下变速，广泛用于数控机床的主运动。其进给运动采用伺服电动机→齿轮传动→滚珠丝杠螺母。第三节机床的总体布局

①机械传动

靠滑移齿轮变速，变速级数<30级。传递功率大，变速范围较广，传动比准确。但存在相对转速损失，工作中不能变速。广泛用于通用和专用中小型机床的主运动和进给运动。

二、传动形式和支承形式的选择

②液压传动能实现无级变速传动，传动平稳，运动换向冲击小，易实现直线运动，适用于刨床、拉床、大型磨床的主运动；铣床、磨床和组合机床的进给运动。1.传动形式第三节专机的总体布局

（2）支承形式指机床支承件的形状，分为卧式支承：支承件高度方向尺寸<长度方向尺寸；立式支承：支承件高度方向尺寸>长度方向尺寸。卧式机床可用卧式支承，也可用立式支承。如图示：

（1）机床形式指主运动执行件的安置状态。2.支承形式

卧式支承重心低，刚度大，执行件在两个方向运动，广泛用于中小型机床。第三节专机的总体布局

立式机床的立式支承

立式支承

占地面积小，刚度较卧式差，执行件可在纵、横、垂直三个方向运动，多用于加工大尺寸工件和箱体工件的机床。

龙门支承（框架式）刚性好，能承受冲击力。但支承件多，结构复杂。适用于大型工件的加工、多工件同时加工。第三节专机的总体布局

单臂支承、龙门支承

如：摇臂钻床，龙门铣床。

单臂支承其立柱上增加了可上下移动的横向悬梁，结构简单，但刚性差。加工时动力头离立柱越远，横臂根部的弯矩越大。第三节专机的总体布局

1.操作者和工件的相对位置适当

（1）为便于装卸工件、观察加工情况、检测工件，应保证人在操作过程中的的正常视觉，一般为50~760mm。

（2）卧式机床主轴高度在900~1200mm

，立式大型机床的工作台高度在700mm左右，立式中小型机床的工件安装在950~1050mm

2.操作者与操纵手柄的位置适当保证操作准确、省力、方便

（1）单工位中小型机床，常用手柄应集中设置在操作者正常活动范围（1200mm）内，不常用手柄就近设置。

（2）多工位机床，可采用连动控制机构。

（3）大型和重型机床，应设置阶梯式操作平台和悬挂式按钮。

三、合理安排操纵部件第三节专机的总体布局

3.操纵件的设置及操纵方向

1）操纵件之间有合理的距离。

2）手柄操作方向应与运动件产生的运动的方向一致。若运动件作直线运动，顺时针转动手轮，运动件应作离开、向右、向上运动；若运动件作旋转运动，手轮的旋向应与运动件一致；若运动件作向心径向运动，手轮应顺时针转动。第三节机床的总体布局4.信号源位置及颜色的设置

1）信号设置应符合人的视线习惯——从左到右，从上到下。

2）信号颜色应易于人眼识别。如：红色按钮代表危险、禁止；黄色按钮代表提醒、警告；绿色按钮代表安全、正常工作状态。

（2）自激振动与机床阻尼比、刀具和切削用量相关。预防措施：增大机床主轴组件的阻尼比，调整切削宽度，及时修磨刀具。

隔离外振源

主电动机与主机分离，用橡胶带轮驱动主运动。

减少传动链内振源①采用变频无级调速或双速电动机，缩短传动链。②提高传动件、主轴组件的刚度。③设置大传动件动平衡或阻尼机构。④提高各部件结合面精度，增强局部刚度。第三节专机的总体布局

抗振性指机床的工作部件在交变载荷下，抵抗受迫振动和自激振动变形的能力。

四、提高机床的动刚度1.提高抗振性能

（1）受迫振动

指机床部件受到来自机床外或传动系内部振动影响而形成的共振。其预防措施有：第三节机床的总体布局2.减少热变形

隔离热源电动机、液压泵和阀、油箱与主机隔离。

控制环境温度精密、数控机床在恒温下工作。

强制冷却热源采用切削液冷却加工部位、压力润滑油循环冷却主轴轴承。结构应利于排屑。

（2）措施

外热源电动机、液压泵、各种控制阀、环境温度。

内热源摩擦热、切削热等。

自身因素热源分布不均，金属材料不同的热膨胀系数。

（1）热源

如数控机床床身倾斜于主轴后上方，使切屑在自重作用下落入排屑带上。第三节专机的总体布局3.降低噪声

齿轮振动影响传动系统的平稳性，是机床工作的主要噪声源。其产生因素是齿轮的基节偏差和齿形误差，它们均是由滚刀的制造误差、安装误差以及齿轮的制造误差造成。

（1）噪声源

缩短传动链，采用小模数、硬面齿轮，降低传动件的线速度和提高阻尼比，增加齿轮啮合的重合度和支承组件的刚度。

（2）措施

机床振动是噪声源，包括：机械噪声、液压噪声、空气噪声、电磁噪声第四节主要技术参数的确定

机床的技术参数包括主参数、尺寸参数、运动参数和动力参数。

一、主参数和尺寸参数

机床的主参数

是代表机床规格大小并反映机床最大工作能力的一种参数。1.主参数

专用机床的主参数以加工零件或加工面的尺寸参数来表示。

工件回转的机床主参数是表示工件的最大加工尺寸。工件移动的机床主参数是表示工作台面的最大宽度(镗床例外)。主运动为直线运动的机床的主参数是表示最大位移（插齿机、拉床例外）。如：CA6140，MG1432A，XK5040-1

尺寸参数

是指机床的主要结构尺寸参数，通常包括：

1）与被加工零件有关的尺寸。如：卧式车床最大加工工件长度。摇臂钻床的立柱外径与主轴之间的最大跨距。

2）标准化工具或夹具的安装面尺寸。如：卧式车床主轴锥孔及主轴前端尺寸。

2.尺寸参数第四节主要技术参数的确定

通用机床

工艺范围较广，要求主轴具有不同的转速和一定的变速范围。若采用级变速，需确定主轴级数、最低转速和最高转速。第四节主要技术参数的确定

二、运动参数

运动参数

指机床执行件（主轴或工作台、刀架）的运动速度。

专用机床和组合机床用于对特定的工件进行特定工序的加工。主轴的转速是固定的，大小可由下式计算：

主运动为直线运动的机床，其主运动参数是每分钟往复次数。主运动为回转运动的机床，其主运动参数为主轴转速。第四节主要技术参数的确定式中vmax、vmin

根据刀具和工件材料查手册、切削实验确定；

dmax、dmin

指实际工况下，采用vmax（或vmin）时，常用的经济加工直径，且dmax=kD，dmin=（0.2~0.25）

dmax。

分析机床可能进行的工序，选择要求最高、最低转速的典型工序。按工序的切削速度v和刀具（或工件）直径d，计算出nmin、nmax及变速范围Rn

。1.最低转速和最高转速的确定第四节主要技术参数的确定

如果已知变速范围，并采用有级变速，应进行主轴转速分级。

分级

指在变速范围内确定中间各级转速。

主轴转速按等比级数列排列的点：使主传动系设计简单，使用方便，最大相对转速损失率相等。2.主轴转速的合理排列变速范围为

多数机床主轴转速按等比级数排列，公比为φ

，转速数列为

将四个等比数列变速组串联，机床主轴可获得24种等比数列转速。设因子数列为a,b,

c,d数列，各数列的项数用Pa，Pb，Pc，Pd

表示；各数列的公比称为级比，级比是公比的整数次幂；幂指数称为级比指数，分别用xa，xb，xc，xd表示。第四节主要技术参数的确定

某机床的主轴转速是公比为φ

的等比数列，转速级数Z为非质数，且Z=24，则数列可分解为四个等比数列的乘积。

（1）特点之一——主传动系设计简单Pa=3Pb=2Pc=2Pd=2第四节主要技术参数的确定

由因子数列项数得：Z=Pa×Pb×Pc×Pd

；将各级比指数写在各项数的右下角，构成机床主轴转速的结构式：

Pa=3Pb=2Pc=2Pd=2第四节主要技术参数的确定

取对数得

结论

d的对数值是v对数值的一次函数，函数图象是与切削速度对数坐标轴成450

的斜线。当j=1~Z，可得到Z

条平行间距相等的斜线。

已知等比数列的转速通式为

切削速度与工件（或刀具）直径关系为

（2）特点之二——使用方便第四节主要技术参数的确定

考虑刀具寿命，需选择较低的转速nj，则转速的损失为n-nj，相对转速损失率为

当n

趋近于nj+1时，最大相对转速损失率Amax为：

最大相对转速损失率Amax只与公比φ

有关，即Amax恒定。

加工某工件的最佳切削速度为v，相应的转速为n时，则

（3）特点之三——最大相对转速损失率相等

标准公比设有7（即1.06,1.12,1.26,1.41,1.58,1.78,2)个，用于旋转主运动、直线主运动和等比进给运动。对于无级变速系统可参考标准公比。第四节主要技术参数的确定

（1）

φ

>1，因为机床要满足不同工艺需求，需要一系列等比数列转速，所以转速从n1

到nmax依次递增。

（2）

1

<φ

≤2，因为φ

大，则Amax

大，对机床生产率影响大，所以规定Amax≤50%，即3.标准公比

非自动化小型机床取φ=1.58、1.78、2，因切削时间小于辅助时间，转速损失（Amax

）对工作效率影响小，为使机床结构简单，φ取大值。

专用机床和自动机床取φ=1.12、1.26，要求高生产效率，受转速损失影响大；不常变速，可用交换齿轮变速，使箱体结构简化。4.公比选用原则第